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Die Kilonova vom August in 7 Schlüssel-Grafiken

20. Oktober 2017

So fing es an mit dem bahnbrechenden kosmischen Ereignis („Die Ära der Multi-Messenger-Astronomie hat begonnen“) vor zwei Monaten, das auch längere Artikel dieses Bloggers hier, hier („Meine Kilonova, Deine Kilonova? Von wegen!“) und hier diskutieren und das insbesondere auch dieser Insider-Bericht, ein Paper eines triumphierenden Theoretikers und dieser lange FAQ-Artikel beleuchten: erst ein Gravitationswellen-Signal (das nachträglich bis 6 Minuten in die Vergangenheit nachgewiesen werden konnte; unten), 1.7 Sekunden später ein Gammastrahlen-Blitz der kurzen Art, den zwei Satelliten sahen.

So ging es weiter in den Stunden nach den Detektionen des offensichtlich identischen Ereignisses auf den beiden „Kanälen“ um 12:41 UTC: Die – damals geheim gehaltenen – entsprechenden GCN-Zirkulare sowie dieses Paper (S. 5) dokumentieren es genau. Um 13:21 UTC gab es den ersten Alarm mit noch sehr ungenauem Ort, gefolgt von etwas genaueren Koordinaten um 13:47 UTC – die ersten Gruppen begannen bereits mit dem Absuchen von passenden Galaxien rund um die Position, fanden aber nichts. Um 17:55 UTC wurde dann die genauestmögliche Ortsbestimmung aus den Messungen der drei GW-Detektoren mitgeteilt (grüner Streifen; andere Farben = viel gröbere Ortsbestimmung nur aus dem Gammablitz), inklusive einer Entfernungs-Schätzung von 40±8 Mpc. Und um 1:05 UTC am 18. August wurde dann die erste Sichtung der offensichtlichen Quelle im Optischen gemeldet (gelbes Sternchen), die mit dem 1-m Swope Telescope auf dem Las Campanas Observatory um 23:33 UTC oder 10.9 Stunden nach der Neutronenstern-Verschmelzung gelungen war. Ihr folgten noch 5 weitere unabhängige Entdeckungen innerhalb einer Stunde, bevor diese Nachricht verbreitet wurde: alle ebenfalls in Chile, wo die Galaxie – auf 23° Süd – noch 45° hoch stand.

Was danach passierte, fasst diese Grafik zusammen, in der die Zeit nach dem Bruch nicht mehr linear sondern logarithmisch verläuft: Während die UV- bis IR-Astronomen der – verglichen mit allen bekannten kosmischen Quellen „in der Nähe“ – äußerst rasanten Helligkeitsentwicklung der Kilonova folgen (das spektrale Maximum rutscht rasch ins nahe Infrarote), sehen die Röntgen- und Radioastronomen erst nach 9 bzw. 16 Tagen etwas. Letztere sind auch die einzigen, die der Kilonova länger als ein paar Wochen zuschauen konnten, denn die Sonne rückte immer näher und macht NGC 4993 derzeit für alle anderen unsichtbar.

Das waren die Lichtkurven vom UV bis IR: oben sind Kreise Messungen, Dreiecke Obergrenzen. Die Magnituden-Skala links gibt die tatsächlichen Messwerte an (wobei die Kurven für die einzelnen Farben – in der Grafik unten definiert – um die angegebenen Differenzen nach oben bzw. unten verschoben sind, so dass sie sich nicht groß überlappen), die Skala rechts die Absoluthelligkeit in der Distanz von NGC 4993. Man darf wohl vermuten, dass es ohne die Nachrichtensperre manchen B-, V- und R-Wert von erfahrenen Amateurastronomen mit großem Gerät mehr gegeben hätte. (Zwar war das iTelescope-Netz im Einsatz, aber von koreanischen Profi-Astronomen gesteuert.) Unten die rasante Veränderung der spektralen Energieverteilung der Kilonova in der ersten Woche mit schneller Wanderung Richtung Infrarot bei gleichzeitigem Schwund der Helligkeit.

Die Lichtkurve der Kilonova – in einzelnen Farben bzw. bolometrisch – und Modelle dazu: Es passt! In der unteren Kurve in blau die Gesamtstrahlung aus Photometrie in zahlreichen Wellenlängen im Vergleich mit einer theoretischen Vorhersage von 2010 für eine Kilonova, die von 1/100 Sonnenmasse neu gebildeten Elementen aus dem r-Prozess angetrieben wird, die mit 1/10 Lichtgeschwindigkeit expandieren. Wobei ein Mehrfaches dieser Menge an schweren Elementen erzeugt worden sein dürfte, da deren Radioaktivität nur zum Teil als Wärme zur Verfügung steht. Freut sich der Theoretiker: „As information on the discovery percolated in, I was overtaken by the degree to which the optical and infrared transient being observed agreed with those predicted by myself and colleagues, such as work I led in 2010 (Fig. 1). Seeing Nature agree so well with our basic ideas is a triumph for astrophysics theory.“